1937年，伟大的神经科学家、牛津大学的查尔斯·斯科特·谢灵顿爵士描绘了他认为将成为大脑工作原理的经典描述。他想象光点象征着神经细胞及其连接的活动。他提出，在深度睡眠期间，只有大脑中少数偏远的部分会闪烁，使这个器官呈现出星夜天空的景象。但当觉醒时，“就好像银河系开始了某种宇宙之舞，”谢灵顿反思道。“头部迅速变成一个神奇的织布机，数百万闪烁的梭子编织出一个正在消散的图案，一个始终有意义的图案，但绝不是一个持久的图案；一个不断变化的子图案的和谐。”
尽管谢灵顿当时可能没有意识到，但他诗意的隐喻包含了一个重要的科学思想：大脑以光学方式揭示其内部运作。理解神经元如何协同工作以产生思想和行为仍然是整个生物学中最困难的开放性问题之一，这主要是因为科学家通常无法看到整个神经回路的运作。用电极探测一个或两个神经元的标准方法只揭示了一个更大的谜题的微小碎片，缺失的碎片太多，无法猜测出完整的图像。但是，如果能够观察神经元的交流，人们或许就能够推断出大脑回路是如何布局以及如何运作的。这个诱人的想法激发了神经科学家们尝试实现谢灵顿的愿景。
他们的努力催生了一个名为光遗传学的新兴领域，该领域将基因工程与光学相结合，以研究特定的细胞类型。研究人员已经成功地可视化了各种神经元群体的功能。此外，这种方法使他们能够真正地远程控制神经元——只需拨动一下灯开关即可。这些成就提高了光遗传学有一天可能会向神经科学家敞开大脑的电路，甚至可能帮助医生治疗某些疾病的前景。
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迷人的织布机
将谢灵顿的愿景变为现实的尝试始于 20 世纪 70 年代初。像数字计算机一样，神经系统依靠电力运行；神经元以电信号或动作电位编码信息。这些脉冲，通常涉及的电压不到单节 AA 电池电压的十分之一，会诱导神经细胞释放神经递质分子，然后激活或抑制回路中连接的细胞。为了使这些电信号可见，耶鲁大学的劳伦斯·B·科恩测试了大量荧光染料，以了解它们是否能够通过颜色或强度的变化来响应电压变化。他发现，一些染料确实具有电压敏感的光学特性。通过用这些染料对神经元进行染色，科恩可以在显微镜下观察它们的活动。
染料还可以通过对特定带电原子或离子流动的反应（而不是电压变化）来揭示神经元的放电。当神经元产生动作电位时，膜通道打开，允许钙离子进入细胞。这种钙离子内流刺激神经递质的释放。1980 年，现任加州大学圣地亚哥分校的罗杰·Y·钱开始合成染料，这些染料可以通过改变荧光亮度来指示钙浓度的变化。这些光学报告器已被证明非常有用，为单个神经元和小型网络中的信息处理打开了新的窗口。
然而，合成染料存在一个严重的缺点。神经组织由许多不同的细胞类型组成。估计表明，例如，小鼠的大脑包含数百种神经元类型以及多种支持细胞。由于特定类型神经元之间的相互作用构成了神经信息处理的基础，因此想要了解特定回路如何工作的人必须能够识别和监测各个参与者，并查明它们何时开启（产生动作电位）和关闭。但是，由于合成染料不加区分地对所有细胞类型进行染色，因此通常不可能将光学信号追溯到特定的细胞类型。
基因与光子
光遗传学的出现源于这样的认识：基因操作可能是解决这种不加区分染色问题的关键。个体的细胞都包含相同的基因，但使两个细胞彼此不同的是，它们中开启或关闭的基因混合物不同。例如，在放电时释放神经递质多巴胺的神经元需要用于制造和包装多巴胺的酶促机制。因此，编码这种机制的蛋白质成分的基因在产生多巴胺的（多巴胺能）神经元中被开启，而在其他非多巴胺能神经元中保持关闭状态。
从理论上讲，如果将一个开启多巴胺制造基因的生物开关与一个编码染料的基因连接起来，并且如果将开关和染料单元工程化到动物的细胞中，则该动物将仅在多巴胺能细胞中制造染料。如果研究人员能够窥视这些生物的大脑（这确实是可能的），他们就可以在几乎与其他细胞类型隔离的情况下观察多巴胺能细胞的功能。此外，他们可以在完整的活体大脑中观察这些细胞。合成染料无法实现这种神奇的效果，因为它们的产生不受基因开关的控制，而基因开关仅在某些类型的细胞中翻转为开启状态。这种技巧只有在染料由基因编码时才有效——也就是说，当染料是一种蛋白质时。
最早证明基因编码染料可以报告神经活动的演示出现在十年前，分别来自钱、加州大学伯克利分校的埃胡德·Y·伊萨科夫和我，以及现任耶鲁大学的詹姆斯·E·罗斯曼领导的团队。在所有情况下，染料的基因都借用自发光的海洋生物，通常是制造所谓绿色荧光蛋白的水母。我们调整了基因，使其蛋白质产物能够检测和揭示电压或钙的变化，这些变化是细胞内信号传导以及神经递质释放（使细胞之间能够进行信号传导）的基础。
借助这些基因编码的活动传感器，我们和其他人在动物体内繁殖，其中编码传感器的基因仅在精确定义的神经元集合中开启。遗传学家们喜爱的许多生物体——包括蠕虫、斑马鱼和小鼠——现在都以这种方式进行了分析，但果蝇已被证明特别愿意在光学和遗传学的联合攻击下泄露它们的秘密。它们的大脑结构紧凑，并且在显微镜下可见，因此可以在单个视野中看到整个回路。此外，果蝇很容易进行基因改造，并且一个世纪的研究已经确定了许多用于靶向特定神经元群体的基因开关。事实上，正是在果蝇身上，当时都在纽约市纪念斯隆-凯特琳癌症中心的 Minna Ng、Robert D. Roorda 和我记录了完整大脑中定义的神经元集合之间信息流动的首批图像。从那时起，我们发现了新的回路布局和新的运行原理。例如，去年我们发现果蝇气味处理回路中的神经元似乎向系统中注入了“背景噪声”。我们推测，增加的嗡嗡声放大了微弱的输入，从而提高了动物对气味的敏感性——更有利于寻找食物。
传感器为我们提供了观察神经元之间交流的强大工具。但早在 20 世纪 90 年代后期，我们仍然面临一个问题。大多数探测神经系统功能的实验都相当间接。研究人员通过将动物暴露于图像、声音或气味来刺激大脑中的反应，他们试图通过在下游部位插入电极并测量在这些位置拾取的电信号来研究由此产生的信号通路。不幸的是，感觉输入在传播过程中会经历广泛的重新格式化。因此，要知道哪些信号是眼、耳或鼻等器官远处记录的反应的基础，距离这些器官越远就越困难。而且，当然，对于大脑中许多不致力于感觉处理而是致力于运动、思想或情感的回路，这种方法完全失败：没有直接的方法可以用感觉刺激来激活这些回路。
从观察到控制
直接刺激特定神经元群体（独立于感觉器官的外部输入）的能力将缓解这个问题。因此，我们想知道，我们是否可以开发一套工具，不仅提供传感器来监测神经细胞的活动，而且还可以轻松地激活选定的神经元类型。
我的第一位博士后研究员鲍里斯·V·泽梅尔曼（现任霍华德·休斯医学研究所）和我承担了这个问题。我们知道，如果我们设法将基因编码的、光控的执行器或触发器编程到神经元中，我们就可以克服几个阻碍基于电极的神经回路研究的障碍。由于一次只能在测试对象中植入有限数量的电极，因此研究人员使用这种方法一次只能监听或激发少量细胞。此外，电极很难瞄准特定的细胞类型。而且它们必须保持固定，这会妨碍移动动物的实验。
如果我们能够利用基因开关来帮助我们找到所有相关的神经元（例如，产生多巴胺的神经元），并且如果我们能够以非接触方式使用光来控制这些细胞，我们将不再需要预先知道这些神经元在大脑中的位置才能研究它们。如果它们的位置随着动物的移动而发生变化，那也没关系。如果刺激含有执行器的细胞引起行为改变，我们将知道这些细胞正在调节该行为的回路中运作。与此同时，如果我们安排相同的细胞携带传感器基因，则活跃的细胞会亮起，从而揭示它们在神经系统中的位置。据推测，通过在经过工程改造的动物身上重复多次实验，每次实验都让一种不同的细胞类型包含执行器，我们最终将能够拼凑出从神经元兴奋到行为的事件序列，并识别回路中的所有参与者。我们所需要做的就是发现一种基因可编码的执行器，它可以将光闪烁转化为电脉冲。
为了找到这样的执行器，我们推断我们应该在通常会响应光产生电信号的细胞中寻找，例如我们眼睛中的光感受器。这些细胞包含称为视紫红质的吸光天线，当被照射时，它们会指示细胞膜中的离子通道打开或关闭，从而改变离子的流动并产生电信号。我们决定将编码这些视紫红质的基因（以及视紫红质功能所需的一些辅助基因）移植到在培养皿中生长的神经元中。在这个简单的环境中，我们可以测试将光照射到培养皿上是否会导致神经元放电。我们的实验成功了——在 2002 年初，在能够报告神经活动的第一个基因编码传感器开发四年后，第一个基因编码执行器首次亮相。
遥控果蝇
最近，研究人员已经征募了其他感光蛋白，例如黑视素，它存在于帮助将昼夜节律时钟与地球自转同步的特殊视网膜细胞中，作为执行器。法兰克福马克斯·普朗克生物物理研究所的格奥尔格·纳格尔、斯坦福大学的卡尔·戴瑟罗斯和凯斯西储大学的斯特凡·赫利茨的共同努力表明，另一种名为通道视紫红质-2 的蛋白质（它控制藻类的游泳运动方向）胜任这项工作。还有多种基因编码的执行器，可以通过我们以及伊萨科夫及其加州大学伯克利分校的同事理查德·H·克莱默和德克·特劳纳合成的光敏化学物质来控制。
下一步是证明我们的执行器可以在活体动物中工作，这是我向我的第一位研究生苏珊娜·Q·利马提出的挑战。为了获得这一原理验证，我们专注于果蝇中一个特别简单的回路，该回路仅由少数几个细胞组成。已知该回路控制着一种明确的行为：一种戏剧性的逃生反射，昆虫通过这种反射迅速伸出腿以实现起飞，一旦升空，就会展开翅膀并飞行。启动此动作序列的触发因素是果蝇大脑中大约 150,000 个神经元中的两个发出的电脉冲。这些所谓的命令神经元激活一个称为模式发生器的下级回路，该回路指示肌肉移动果蝇的腿和翅膀。
我们发现了一个基因开关，它始终在两个命令神经元中处于开启状态，但在其他神经元中则不处于开启状态——以及另一个开关，它在模式发生器神经元中处于开启状态，但在命令神经元中则不处于开启状态。利用这些开关，我们对果蝇进行了工程改造，使其命令神经元或模式发生器神经元产生我们的光驱动执行器。令我们高兴的是，这两种果蝇都在激光束闪烁时起飞，激光束足够强大，可以穿透完整动物的角质层并到达神经系统。这证实了命令细胞和模式生成细胞都参与了逃生反射，并证明了执行器按预期工作。由于只有相关的神经元包含基因编码的执行器，因此只有它们“知道”对光学刺激做出反应——我们不必将激光瞄准特定的目标细胞。这就像我们在一个拥有 150,000 户人家的城市中广播无线电消息，其中只有少数人家拥有解码信号所需的接收器；消息对其他人来说仍然是听不见的。
然而，仍然存在一个令人烦恼的疑问。启动逃生反射的命令神经元与来自眼睛的输入连接。当“熄灯”过渡期间（例如，当逼近的捕食者投下阴影时），这些输入会激活逃生回路。（您可以从您拍打苍蝇的尝试中了解到这一点：每当您将手移动到位时，动物都会烦人地跳起来飞走。）我们担心，在我们的案例中，逃生反射也可能是对激光脉冲的视觉反应，而不是直接光学控制命令或模式生成回路的结果。
为了消除这种担忧，我们进行了一个非常简单的实验：我们切掉了果蝇的头部。这给我们留下了无头无人机（可以存活一两天），它们在其胸神经节内藏有完整的模式生成回路，胸神经节大致相当于脊椎动物的脊髓。用光激活这个回路推动了原本静止不动的身体进入空中。尽管无人机的飞行通常以翻滚的不稳定性开始，并以壮观的坠毁或碰撞结束，但它们的存在证明了激光控制着模式生成回路本身——这些无头动物没有其他方法可以检测和响应光。（无人机笨拙的机动也生动地说明了莱特兄弟的伟大创新是发明了受控动力飞行，而不仅仅是动力飞行。）
我们还对果蝇进行了工程改造，使其光开关仅连接到制造神经递质多巴胺的神经元。当暴露于激光闪光时，这些果蝇突然变得更加活跃，在它们的围栏周围到处走动。之前的研究表明，多巴胺有助于动物预测奖励和惩罚。我们的果蝇研究结果与这种情况一致：这些动物不仅变得更加活跃，而且还以不同的方式探索它们的环境，就好像对收益或损失的预期发生了改变一样。
意想不到的先驱
在报告这些实验的论文计划在《细胞》杂志上发表的前三天，我正在飞往洛杉矶发表讲座。一位朋友给了我汤姆·沃尔夫最近出版的青春期小说《我是夏洛特·西蒙斯》，认为我会喜欢它对神经科学家的描写，更不用说这本书为它赢得了《文学评论》“小说中糟糕性爱奖”的素材了。在飞机上，我看到一段文字，其中夏洛特参加了一场关于何塞·德尔加多工作的讲座，他也远程控制动物行为——不是使用光驱动的基因编码执行器，而是使用无线电信号传输到他植入大脑的电极。德尔加多是一位西班牙人，他冒着生命危险通过阻止一头愤怒的公牛冲锋来证明他的方法的力量。沃尔夫小说中的讲师宣称，这是神经科学的转折点——是对二元论的决定性击败，二元论认为心灵是作为与大脑分离的实体而存在的。因此，如果德尔加多对大脑的物理操作可以改变动物的思想，那么这两个必须是同一件事。
我差点从座位上摔下来。德尔加多是虚构人物，还是真实人物？抵达洛杉矶后，我立即进行了网络搜索，并被引导到一张斗牛士手持遥控器和他的公牛的照片。我了解到，德尔加多曾是我自己机构耶鲁大学的教授，并写了一本书，题为《心灵的物理控制：迈向精神文明的社会》，该书于 1969 年出版。在书中，他总结了他控制运动、唤起记忆和幻觉以及引发快乐或痛苦的努力[参见约翰·霍根的“被遗忘的脑芯片时代”；《大众科学》，2005 年 10 月]。本书最后讨论了控制大脑功能的能力可能对医学、伦理、社会甚至战争产生什么影响。在这种背景下，当我们的论文发表当天电话响起，一位美国记者问道：“那么，我们什么时候会用遥控果蝇军队入侵另一个国家？”时，我可能不应该感到惊讶。
媒体的关注并没有就此停止。第二天，《德拉吉报道》的头条新闻尖叫着“科学家创造遥控果蝇”，盖过了迈克尔·杰克逊最新的出庭新闻。我猜想正是这个消息来源启发了大约一周后在《今夜秀》中的一个小品，主持人杰·雷诺在小品中驾驶遥控果蝇进入了乔治·W·布什总统的嘴里——这是我们新技术的第一个实际应用。
从那时起，研究人员已经使用光开关方法来控制其他行为。去年 10 月，戴瑟罗斯和他的斯坦福同事路易斯·德·莱西亚宣布了一项小鼠研究的结果，在该研究中，他们使用光纤将光直接传递到产生下丘脑分泌素的神经元——下丘脑分泌素是一种小蛋白质或肽形式的神经递质——以查看这些神经元是否调节睡眠。研究人员怀疑下丘脑分泌素起着这种作用，因为某些品种的缺乏下丘脑分泌素受体的狗会突然发作嗜睡症。这项新工作表明，在睡眠期间刺激下丘脑分泌素神经元倾向于唤醒小鼠，这支持了该假设。
在我在耶鲁大学的实验室里，博士后研究员 J·迪伦·克莱恩使用基因编码的执行器来深入了解两性之间的行为差异。许多动物物种的雄性都会竭尽全力来追求异性。以果蝇为例，雄性会振动一只翅膀来产生雌性认为非常无法抗拒的“歌曲”。为了探究这种严格的雄性行为的神经基础，克莱恩使用光来激活负责歌曲的模式发生器。他发现雌性也拥有歌曲制作回路。但在正常情况下，它们缺乏开启歌曲制作回路所需的神经信号。这一发现表明，雄性和雌性的大脑在很大程度上以相同的方式连接，而性行为的差异源于战略性放置的主开关的作用，这些开关将回路设置为雄性或雌性模式。
光疗
到目前为止，研究人员通常对动物进行工程改造，使其在感兴趣的神经元中携带传感器或执行器。但也可以为它们配备两者。展望未来，我们希望能够培育出具有多个传感器或执行器的受试者，这将使我们能够同时研究同一受试者中的不同神经元群体。
我们新发现的对神经回路的控制权为基础研究创造了巨大的机遇。但是否存在实际的好处？也许有，尽管我觉得它们有时被过度炒作了。德尔加多本人确定了直接控制神经功能可能带来临床益处的几个领域：感觉假肢、运动障碍疗法（正如现在帕金森病深部脑刺激疗法已经成为现实的那样）以及情绪和行为调节。他将这些潜在用途视为现有医疗实践的直接和合理延伸，而不是令人担忧地涉足“精神控制”的伦理泥潭。事实上，在影响大脑功能的物理手段和化学操作（无论是精神药物还是帮助您在辛苦一天后放松的鸡尾酒）之间划出明确的界限似乎是武断和虚伪的。事实上，物理干预可以说是比药物更精确地靶向和给药，从而减少副作用。
一些研究已经开始探索光遗传学在医学问题中的适用性。2006 年，研究人员使用光激活的离子通道来恢复光感受器退化小鼠中幸存视网膜神经元的光敏性。他们使用病毒将编码通道视紫红质-2 的基因传递到细胞中，直接将其注射到动物的眼睛中。修补好的视网膜向大脑发送了光诱发的信号，但该手术是否真正恢复了视力仍然未知。
尽管光遗传学疗法具有理论上的吸引力，但在人类中面临着一个重要的实际障碍：它们需要在脑中引入外源基因——编码光控执行器的基因。到目前为止，基因治疗技术尚未达到这一挑战，美国食品和药物管理局对相关风险感到非常担忧，因此暂时禁止了此类干预措施，除非用于严格限制的实验目的。
我们对大脑回路（甚至其他电可兴奋细胞，例如产生激素的细胞和构成肌肉的细胞）的控制所提供的直接机会在于揭示药物的新靶点：如果对细胞群 X、Y 和 Z 的实验性操作导致动物进食、睡觉或冒险行事，那么 X、Y 和 Z 就是治疗肥胖症、失眠症和焦虑症的潜在药物靶点。寻找调节神经元 X、Y 和 Z 的化合物很可能为目前尚无疗法的疾病带来新的或更好的治疗方法，或为现有药物带来新的用途。还有许多有待发现，但光遗传学的未来一片光明。
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注意：本文最初印刷时的标题为“点亮大脑”。